GIPV: hoonete integreeritud fotogalvaanilised ained osalise läbipaistvate päikesemoodulite ehitamise integreeritud fotogalvaanidega

Hoone integreeritud fotogalvaaniline GIPV (hoone integreeritud fotogalvaanics-BIPV) on fotogalvaanilised materjalid, mis asendavad tavapäraseid ehitusmaterjale hooneümbrise osades, näiteks katus, katuseaknad või fassaad. Neid integreeritakse üha enam uute hoonete ehitamisse kui peamise või külgvõimsuse allikana, kusjuures ka sarnase tehnoloogiaga olemasolevaid hooneid saab moderniseerida. Integreeritud fotogalvaanilasi eeliseks võrreldes tavaliste integreerimata süsteemidega on see, et esialgsed kulud saab kompenseerida, vähendades ehitusmaterjalide ja töötajate kulusid, mis tavaliselt oleks vajalik ehitise osa ehitamiseks, milleks BIPV moodulid oleksid. Lisaks võimaldab BIPV päikesesüsteemide laiemat aktsepteerimist, kui hoone esteetika mängib rolli ja tavalisi päikeseenergiamooduleid, mis on kokku pandud raamidele, häiriks hoone kavandatud välimust.

Mõistet BAPV (hoone rakendatud fotogalvaanideks) ehitise integreeritud fotogalvaaniliseks jaoks kasutatakse mõnikord hoonesse integreeritud fotogalvaaniliste süsteemide viitamiseks. Enamik hoonete integreeritud süsteeme on tegelikult BAPV. Mõned tootjad ja ehitajad eristavad BIPV ja BAPV uute hoonete jaoks.

Hoonete PV rakendused tekkis 1970. aastatel. Alumiiniumraamidega fotogalvaanilised moodulid ühendati hoonetega või paigaldati, mis olid tavaliselt kaugemates piirkondades ilma elektrivõrgu juurdepääsuta. 1980ndatel hakkas see katustele kinnitama fotogalvaanilisi mooduleid. Need PV -süsteemid paigaldati tavaliselt hoonetele, mis olid ühendatud elektrivõrguga ja asusid keskse elektrijaamaga piirkondades. 1990ndatel muutusid BIPV ehitustooted, mis olid spetsiaalselt välja töötatud hooneümbrisesse integreerimiseks, kaubanduslikult kättesaadavaks. Patrina Eifferti doktoritöös alates 1998. aastast, millel oli BIPV majanduslik hindamine, loodi hüpotees, et ühel päeval oleks majanduslik väärtus taastuvenergia krediidiga (taastuvenergia krediidid - recs). USA riikliku taastuvenergia labori BIPV ajaloost alates 2011. aastast pärit majanduslik hindamine ja lühike ülevaade näitavad, et enne BIPV paigalduskulude abil saab siiski konkureerida märkimisväärseid tehnilisi väljakutseid. Siiski on kasvav konsensus, et BIPV-süsteemid moodustavad 2020. aastaks Euroopa eesmärgi nullhoonete (null Energy Building-Zeb) selgroo, turundades neid. Vaatamata paljutõotavatele tehnilistele võimalustele leiti ka sotsiaalseid takistusi laialdase kasutamise korral, näiteks ehitustööstuse konservatiivne kultuur ja integreerimine suure tihedusega linnaplaneerimisesse. Autorid rõhutavad, et pikaajaline kasutamine sõltub tõenäoliselt sama palju tõhusatest poliitilistest otsustest kui tehnilisest arengust.

Osalised läbipaistvad päikeseenergiamoodulid pakuvad huvitavat viisi hoonete integreeritud fotogalvaaniliste (BIPV) integreerimiseks arhitektuuris ja linnaplaneerimises. See uut tüüpi päikeseenergia tootmine on tõenäoliselt tulevikus kogu maailmas elektritootmise oluline osa.

Osaliste läbipaistvate päikesemoodulitega hoonete integreeritud fotogalvaanipuu on atraktiivne võimalus energiatõhusate hoonete ehitamiseks. See tehnoloogia aitab vähendada energiavarustuse kulusid ja samal ajal hoone väliskülje paremaks muutmiseks.

Lisaks saab hoones päevavalguse suunamiseks kasutada osalisi läbipaistvaid päikesemooduleid. See mitte ainult ei säästa energiat, vaid vähendab ka kunstliku valgustuse kulusid.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et hoone integreeritud fotogalvaaniline on väga tõhus ja mitmekülgne taastuvenergia tüüp. Sellel on potentsiaal hoonete energiavarustust jätkusuutlikult parandada.

Päikesemoodulid, mis on valmistatud kristalsest ränist väli- ja katuseelektrijaamade jaoks.

Amorfsed kristalsed räni-dünnshicht-solaarsed PV-moodulid, mis võivad olla õõnsad, heledad, punased, sinised ja kollased, klaasist fassaadina ja läbipaistva katuseaknana.

CIGS-l põhinevad (vask-indium-gallium-seleniid) õhukesed kihid painduvate moodulitega, mis lamineeritakse hoonempuli elemendiga, või paigaldatakse CIGS-i rakud otse hoone ümbrise substraadile.

Topelt klaasist päikesemoodulid, mille sees on ruudukujulised rakud.

Lamekatus

Seni kõige laialt levinum lahendus on amorfne õhukese kihiga päikeseelement, mis on integreeritud painduvasse polümeermoodulisse, mis on kinnitatud kleepuva kilega päikesemooduli tagaküljel kile ja katuseahend. Vase-indium-gallium-seleeniidi (CIGS) tehnoloogia abil saab Ameerika ettevõte saavutada ühekihiliste TPO membraanide ehituste integreeritud moodulite rakkude efektiivsuse 17 %.

Kaldus katus

Päikesekatuse plaadid on (keraamilised) katuseplaadid, millel on integreeritud päikesemoodulid. Keraamilise päikesekatuse plaatide välja töötas ja patenteeris Hollandi ettevõte 2013. aastal.

Moodulid, mis on kujundatud mitme katuseplaati.

Päikesepilt on moodulid, mis näevad välja ja töötavad nagu tavalised katusesindlid, kuid sisaldavad painduvat õhukese kihi lahtrit.

Need laiendavad katuste normaalset eluiga, kaitstes isolatsiooni ja membraanisid UV -kiirguse ja veekahjustuste eest. Lisaks välditakse kondenseerumist, kuna kastepunkt hoitakse katusemembraani kohal.

Metallilised kaldega katused (nii struktuurilised kui ka arhitektuurilised) on nüüd varustatud PV-funktsioonidega, liimides iseseisva painduva mooduli või otse substraadile otse substraadil asuvate CIGS-rakkude soojuse ja vaakumi tihendamise kaudu.

fassaad

Fassaade saab kinnitada olemasolevate hoonete külge ja anda vanadele hoonetele täiesti uus ilme. Need moodulid on kinnitatud olemasoleva konstruktsiooni kohal oleva hoone fassaadi külge, mis võib suurendada hoone atraktiivsust ja selle edasimüügi väärtust.

klaasimine

Fotogalvaanilised aknad on (pooled) läbipaistvad moodulid, mis võivad asendada mitmeid arhitektuurielemente, mis on tavaliselt valmistatud klaasist või sarnastest materjalidest, näiteks: B. aknad ja katuseaknad. Nad ei genereeri mitte ainult elektrienergiat, vaid võivad põhjustada ka täiendavat energiasäästu nende suurepäraste soojuisolatsiooniomaduste ja päikesekiiride kontrolli tõttu.

Fotogalvaanilised klaasist aknad: energiatootmise tehnoloogiate integreerimine elamu- ja ärihoonetes on avanud täiendavaid uurimisvaldkondi, kus lõpptoote üldist esteetikat rohkem arvesse võetakse. Kuigi eesmärk on endiselt saavutada kõrge tõhusus, on fotogalvaaniliste akende uute arengute eesmärk ka tarbijate valimine optimaalne klaasist läbipaistvuse ja/või võimaluse valida värviseeria hulgast. Erinevat värvi päikesepaneele saab kujundada nii, et need imavad optimaalselt laiemast spektrist teatud lainepikkusi. Värviline fotogalvaaniline klaasi töötati edukalt välja poolvanker, perovsky ja värvainetundlike päikesepatareidega.

• Fabry Pérot-Taloni tehnoloogiaga töötati välja plasmonaalseid päikesepatareisid, mis neelavad ja peegeldavad värvilist valgust. Need rakud koosnevad "kahest paralleelsest peegeldavast metallkilest ja nende vahel dielektrilise õõnsuse kilest". Kaks elektroodi koosnevad SB2O3 -st nendevahelisest AG -st ja nendevahelisest õõnsusest. Muutes dielektrilise õõnsuse paksust ja murdumisnäitajat, muutub kõige paremini imendunud lainepikkus. Neeldumiskihi klaasi värvi kohandamine spektri konkreetse osaga, millele on kõige parem koordineerida paksus ja raku murdumisnäitaja, parandab nii raku esteetikat, intensiivistades selle värvi ja minimeerides fotovoogude kadusid. Punase ja sinise valguse seadmetega saavutati läbilaskvus 34,7 % ehk 24,6 %. Sinised seadmed võivad muuta 13,3 % imatud valgust elektrienergiaks, mis teeb sellest kõige tõhusamaks kõigist välja töötatud ja testitud värvilistest seadmetest.
• Perowskiti päikeseelementide tehnoloogiat saab kohandada punaseks, roheliseks ja siniseks, muutes metalliliste nanojuhtmete paksust 8, 20 ja 45 nm -ni. Maksimaalne efektiivsus 10,12 %, 8,17 % ja 7,72 % saavutati klaasi peegelduse kohandamisega lainepikkusega, mille jaoks vastav rakk sobib kõige paremini.
• Värvirakud kasutavad valguse hõivamiseks ja kasutatavaks energiaks muutmiseks vedelaid elektrolüüte; See juhtub sarnaselt sellega, kuidas looduslikud pigmendid võimaldavad taimedes fotosünteesi. Kui klorofüll on konkreetne pigment, mis vastutab lehtede rohelise värvi eest, loovad teised looduses esinevad oranži- ja violetsete värvide variatsioonid. Concepcioni ülikooli teadlased on demonstreerinud värvaine sensibiliseeritud värviliste päikesepatareide elujõulisust, mis nii ilmuvad kui ka selektiivselt imavad teatud valguse lainepikkusi. Selle odava lahenduse abil saadakse sensiteerina Maqui puuviljade, mustade mürtide ja spinati looduslikud pigmendid. Seejärel kinnitatakse need looduslikud sensiteerid kahe läbipaistvast klaasist valmistatud kihi vahele. Ehkki nende eriti odavate rakkude tõhusus on endiselt ebaselge, võiksid varasemad uuringud orgaaniliste värvainerakkude valdkonnas saavutada „suure elektrienergia muundamise efektiivsuse 9,8 %”.

Läbipaistvad päikesepatarei rakud kasutavad klaasist sisekülgede siseküljel tinaoksiidi katte, et voolu lahtrist suunata. Rakk sisaldab titaanoksiidi, mis on kaetud fotoelektrilise värvainega.

Enamik tavapäraseid päikeseenergia rakke kasutab elektrienergia tootmiseks nähtavat ja infrapunavalgust. Seevastu uuenduslik uus päikeseenergiarakk kasutab ka ultraviolettkiirgust. Kui seda kasutatakse tavalise aknaklaasi asendajana või asetatakse üle klaasi, võib paigalduspiirkond olla suur, mis viib potentsiaalsete rakendusteni, mis kasutavad elektritootmise, valgustuse ja temperatuuri juhtimise kombineeritud funktsioone.

Teine läbipaistva fotogalvaaniliste ainete nimi on “poolläbipaistev fotogalvaanilaan” (nad lasid ainult poole valguse langeda). Sarnaselt anorgaaniliste fotogalvaanidega võib orgaanilised fotogalvaanilised ained olla ka valguse jaoks läbilaskvad.

Mittelainepikkus selektiivne

Mõned mitte lainepikkusel põhinevad fotogalvaanilised süsteemid saavutavad läbipaistmatute päikeseenergia rakkude ruumilise segmenteerimise kaudu poolaasta. Selle meetodi abil kasutatakse kõiki valgust avatavaid päikesepatareid ja mitut väikest rakku jaotatakse läbipaistval substraadil. See jagunemine vähendab drastiliselt energia muundamise tõhusust ja suurendab käigukasti.

Teine mittelainepikkusega selektiivsete fotogalvaanide haru kasutab nähtavalt imenduvaid õhukesi kile pooljuhid väikeste paksustega või piisavalt suure riba lünkadega, mis võimaldavad valgust läbi saada. Selle tulemuseks on pooleldi läbipaistvad fotogalvaanilised ained, mille efektiivsuse ja ülekande vahel on sarnane joon kui ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatud päikesepatareide vahel.

Teine mittelainepikkusega selektiivse fotogalvaanilise haru kasutab nähtavalt imenduvat õhukese kihiga liidrit, millel on madala paksu või piisavalt suur riba lüngad, mis lasevad läbi valguse. See põhjustab poolülekande fotogalvaanilasi, millel on sarnane otsene kompromiss efektiivsuse ja ülekande vahel nagu ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatud päikesepatareide vahel.

Lainepikkusega tundlik fotogalvaaniline

Lainepikkuse selektiivne fotogalvaanilised ained saavutavad läbipaistvuse, kasutades materjale, mis neelavad ainult UV ja/või NIR valgust, ning seda esitleti esmakordselt 2011. aastal. Vaatamata suuremale läbilaskvusele on energia muundamise tõhusus paljude probleemide tõttu madalam. See hõlmab väikseid eksitonide difusioonipikkusi, läbipaistvate elektroodide skaleerimist ilma efektiivsust kahjustamata ja üldist eluiga, mis on tingitud TPV -des üldiselt kasutatavate orgaaniliste materjalide ebakõla tõttu.

Uuendused läbipaistvas ja poolläbipaistvas fotogalvaanilises

Varased katsed arendada lainepikkuse selektiivset poolautomaatset orgaanilisi fotogalvaanilaid, millel on väga õhukesed aktiivsed kihid, mis neelavad nähtavas spektris, saavutada ainult vähem kui 1 %tõhusust. 2011. aastal näitasid 2011. aastal läbipaistvad orgaanilise kloralumiiniumftalotsüaniin-likööri (CLALPC) ja Fullereni aktseptoriga orgaanilise kloralumiinium-ftalotsüaniin-likvideerijaga ultraviolettkiirguse ja lähedase infrapunaspektri (NIR) neeldumist efektiivsusega 1,3 % ja kerge loatavuse neeldumine üle 65 %. 2017. aastal töötasid kaaslahendajad läbi läbipaistvate graafiliste elektroodide eduka eraldamise orgaaniliste päikeseenergiarakkude jaoks, mis viis nähtava valguse ja parema efektiivsuse saavutamiseks 61% -lise läbilaskvuseni 2,8–4,1%.

Perowskiti päikeseelemendid, mis on väga populaarsed kui järgmise põlvkonna fotogalvaanilised, mille efektiivsus on üle 25 %, on osutunud ka läbipaistvate fotogalvaanide jaoks paljulubavaks. Aastal 2015 näitas poolläbipaistev perovskiti päikeseelement, mille metüülammooniumi pleegik-perrovskit ja hõbedane Anano-juhtme pealmine elektrood näitas ülekandumist 79 % lainepikkusega 800 nm ja efektiivsusega umbes 12,7 %.